基于GSM模块的智能家居系统毕业论文

0基于 GSM 模块的智能家居系统设计作 者 丁明明指导教师 白政民摘要GSM（全球移动通讯系统）在如今这个信息大爆炸的时代中扮演着重要的角色，现如今已经成为一种应用最广泛、技术成熟、相对完善的移动通讯系统。我国目前几乎已经被三大公司各自建造的 GSM 移动通信网覆盖全国的范围。用户可以利用手机通过 GSM 网络实现远程控制的作用。智能家居是一种新生产业，目前我国智能家居市场正在逐渐成形和扩大。本论文设计的智能家居系统比较简单，选用一款最常见的单片机 STC89C52 来控制，利用一款常见的 GSM 无线通信模块（西门子 TC35）构建控制通信网络，通过收发短信的形式控制继电器的状态，间接地控制相应家电的状态。简而言之，就是用户可以在异地收发短信控制家用电器状态。本设计的独特之一在于用市场上常见的单片机控制 GSM 模块收发短信，再间接的控制继电器组成的家电控制电路；独特之二在于解决了 GSM 模块和单片机如何正确通信连接的问题。关键词 智能家居；STC89C52；TC35；继电器1. 设计方案和工作原理1.1 设计要求（1）GSM 模块能联网通信且能和 PC 机之间成功连接：本设计要求 TC35 模块插上SIM 卡（2G 版）能成功连接 G 网络，能通过 USBRS-232 串口线与 PC 机之间进行连接，并能使用 AT 指令进行一些基本操作如：接打电话、收发短信、读取短信、按条件列举短信、删除短信、设置短信服务中心号码、设置短信模式等。（2）GSM 模块与单片机可以成功连接且能通过短信控制继电器动作：单片机STC89C52 和 TC35 模块能通过串口线成功连接，二者可以成功的互相传输数据。单片机可以识别 GSM 模块所接收的信息，进而控制相应的继电器的闭合和释放，从而达到控制家用电器的功能。1.2 设计方案STC89C52单片机GSM 模块（TC35）控制模块（可用继电器控制家电）通信RS-232串口技术标准通信图 1-1 总体设计框图智能家居系统一般可以实现两种功能：家电控制功能和家庭安防功能。本设计只涉及到家电控制方面，总体电路结构比较简单。设计时选用一款最常见的单片机 STC89C52 来控制，利用一款常见的无线通信模块西门子 TC35 构建控制通信网络，通过收发短信的形式控制继电器的状态，间接地控制相应家电的状态。简而言之，就是用户可以在异地收发1短信控制家用电器状态。GSM 模块能将短信息内容传送给单片机，单片机通过将短信内容与内部 ROM 存储的程序相对比，判断决定不同编号的继电器是闭合还是释放。本设计选用西门子公司旗下的一款模块 TC35 模块作为 GSM 通信模块。TC35 模块可以通过自带的 RS-232 通信串口和单片机联络通信，RS-232 是一种串口技术标准，相关的电路主要采用 MAX232 作为电平转换芯片，MAX232 芯片能将单片机的 TTL 电平和 TC35的 CMOS 电平转换到相同的 RS-232 电平，以便于 TC35 和单片机之间的通信。TC35 模块和单片机之间硬件通信连接时，单片机的 TXD（P3.1）引脚和 RXD (P3.0)引脚传输数据时分别对应着 TC35 模块的 RXD0 和 TXD0 引脚。但是由于二者的通信电平不同，单片机的输入、输出为 TTL 电平，TC35 的输入、输出为 CMOS 电平，二者电平不能通信。因此单片机和 TC35 之间需要两组 MAX232 芯片组成的 RS-232 串口来将 TTL 和CMOS 电平都转换成 RS-232 通信电平，再用双公头串口线把两个端口相连接，就可以实现 TC35MAX232MAX232MCU 这样的串口通信线路。如图 1-2 为单片机和 TC35 模块通信连接框图。STC89C52 MAX232TC35 模块MAX232RXD0TXD0RXDTXD图 1-2 单片机和 TC35 模块通信框图本设计的单片机采用了一款最常用、且便宜的单片机 STC89C52 作为控制中心，该单片机的 P0 口作为输出控制端连接着执行机构。执行机构选用原理简单、且易操作的继电器来控制家电的状态。当用户用手机向通信模块发送短信息后，通信模块会将信息内容传输个控制中心，控制中心通过对收到的短信数据判断，将相应的执行命令传输给执行机构继电器，继电器闭合会间接控制家电打开，继电器释放会间接控制家电关闭。2. 硬件设计2.1 单片机2.1.1 STC89C52本设计选用一款 STC 公司生产的目前社会上最常用的 STC89C52 单片机作为控制芯片。该单片机自带 8K 只读存储器，运行时功耗低、性能高。该器件采用 Atmel 高密度非易失存储器制造技术，兼容 Intel8031 指令集。该芯片使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使其具备了一些新的功能。STC89C52 是传统 51 单片机的升级版8 。MCU 在没有执行操作的状态时，允许内部寄存器、定时器和计数器、串口和中断继续工作。STC89C52自带掉电保护功能，断电后内部寄存器内容能够被保存下来，振荡器被冻结，单片机停止工作，等到有中断或硬件复位时再正常工作。最高运作频率 35MHz，6T/12T 可选。图 2-1为 STC89C52 引脚图，表 2-1 为 STC89C52 主要特性 8。表2-1 STC89C52主要特性可编程 UART 串行通道 8K 可反复擦写 Flash ROM2 个外部中断源 软件设置睡眠和唤醒功能3 个 16 位可编程定时/计数器中断 时钟频率 0-24MHz2 个串行中断 兼容 MCS51 指令系统32 个双向 I/O 口 2 个读写中断口线共 6 个中断源 3 级加密位2低功耗空闲和掉电模式 256x8bit 内部 RAMP1.0345678RST9XD/ALVEOGINCW图 2-1 STC89C52 引脚图2.1.2 单片机外围电路设计本设计选用 STC89C52 被广泛使用，可靠性高而且价格便宜。该单片机自带看门狗功能，能够在单片机系统运行过程中因故障而超出设置时间的时候复位电路让系统恢复正常。该类型单片机内存比较大，一般都能存储下平常编写的程序。图 2-2 是给 STC89C52 单片机设计的外围电路，包括复位电路、晶振电路和 P0 输出口的上拉电阻（排阻） 。其中 JP0JP3 分别为 P0P1 的扩展插针，P0 作为输出控制端口，为了稳定电平输出，增大端口的驱动能力，需要增加上拉电阻。J1 为上拉电阻（排阻）插座。 JpFYMKu图 2-2 STC89C52 及周围电路2.1.3 单片机与 TC35 模块连接方式单片机和 GSM 模块联络通讯时，一定注意不能直接把单片机 RXD（P3.0） 、TXD(P3.1)引脚直接和 TC35 的 TXD0 和 RXD0 相连接，这样是不能实现二者通信的。因为单片机的电平为 TTL 类型， TC35 的电平为 CMOS 类型，二者的高电平和低电平都不一样，实现不了数据的传输。正确的连接方法是：单片机的 TXD（P3.1 ）和 RXD (P3.0)引脚通过 RS-232 串口端后经过双公头串口线连接到 TC35 模块的 RS-232 串口端（TC35 模块自带 RS-232 串口端） ，再对应的连接到 TC35 的 RXD0 和 TXD0 引脚。两者之间需要两组 MAX232 芯片组成的3RS-232 串口端作为通信端10。图 2-3 为单片机侧的 RS-232 串口电路。C1+V2-456Tout7Rin890GNDMAXFJBP.S图2-3 单片机侧 RS-232串口电路2.2 继电器2.2.1 继电器功能和原理继电器的种类和功能有很多，涉及到强电和弱电电路的保护控制等。其工作原理可以综合认为是：由某种输入信号（如电流、电压等）的变化，改变继电器的状态，间接控制电路，从而起到自动控制电路状态的作用 7。继电器一般由控制系统和被控制系统两部分组成，控制系统又称输入回路，被控制系统又称输出回路。输入回路一般为小电流电路，输出回路一般为大电流电路，用小电流控制大电流的方法可以隔离大电流电路被控时的危险性，即安全又可控。图 2-4 为常见的不同类型的继电器。图 2-4 常见继电器继电器的控制回路有“常开”和“常闭”两种触点 7。 “常开”触点指的是当输入回路没有输入量时输出回路是开路状态， “常闭”触点指的是当输入回路没有输入量时输出回路是接通状态。最早出现的继电器是电磁式继电器，该继电器应用最为广泛。该类型继电器主要由铁芯、线圈、衔铁、主触点、辅助触点和释放弹簧组成。当输入回路线圈加上一定电流后，线圈会根据电磁效应产生电磁场，衔铁在电磁场中会受到磁力的作用而动作，间接地带动“常开”触点闭合、 “常闭”触点释放。当该电流消失或小于最小动作值后，衔铁就会在弹簧的作用力下返回原始状态。使动触点与静触点分离。2.2.2 继电器的选择继电器种类和功能多样，如果没有选择正确合适的继电器可能会导致被控系统不能被控制甚至导致整个电路的瘫痪。一般在选择继电器时可以简单地考虑以下几点要素：（1）输入回路的电压和最大电流；（2）输出回路的电压和最大电流；4（3）输出回路有几组被控制端；（4）输出回路控制端需要“常开”还是“常闭” 。本设计选用了一款松乐公司生产的继电器。该继电器信号输入端为 5V 直流电压，输出控制端最高控制量为 10A-250V AC 或 10A-30V DC。单片机 IO 口输出的为 TTL 电平，输出电压近似为 5V，但输出电流只有 420mA，这种低电流是无法带动继电器正常工作的，为解决此问题，本设计选用 PNP 三极管放大电路来放大 IO 口的输出电流，达到成功驱动继电器的目的。该放大驱动电路如图 2-5 所示。驱动电路的 J2 输入端通过杜邦线连接单片机的 P0 口。发光二极管 D2 和电阻 R5 组成的线路起到显示接通电源的作用。当 IO 口输出高电平时，电流 Ib 通过 PNP 三极管 8550放大后达到动作值使继电器动作。当 J2 输入端输入量由高电平变成低电平时，由于自感现象继电器线圈会产生比较大的自感电压，该电压方向和电源电压 VCC 相同，这两种电压同向加在三极管 e、c 两级上，高于之前状态下的电压，这很可能会导致 e 极被击穿而损坏电路。为解决这个问题，可以在继电器输入端两边反向并联一个稳压二极管来吸收和释放自感电压。 R1KD25QPN80VCJOELAY图 2-5 继电器驱动电路实际电路制作中，为简化实物焊接过程，笔者选用成型的继电器模块。图 2-6 为制作实物时选用的 5V 直流继电器模块。该模块将继电器元件和驱动电路设计到一个很小的电路板上供二次开发使用。继电器元件为松乐公司生产的一款继电器（输入量：5V 直流电压，最高输出：10A-250V AC 或 10A-30V DC） ，驱动电路符合图 2-5 所示。该模块输入端有三个可接线插头，分别是电源端（VCC） 、接地端（GND） 、信号输入端（IN ） 。输出端有三个可接线端口，分别是“常开”触点、公共端和“常闭”触点。当继电器闭合后， “常开”触点闭合、 “常闭”触点释放；当继电器释放后所有触点都返回初始状态。图 2-6 5V 直流继电器模块2.3 TC35 模块2.3.1 TC35 模块介绍5TC35 模块是西门子公司生产的一种无线通信 GSM 模块，可以通过 G 网实现数据传输、语音传输、短消息服务和传真等功能。TC35 模块主要由 TC35 和其外围电路组成。TC35是整个 TC35 模块的核心。外围电路涉及到电源电路、开关电路、数据输入/ 输出电路、音频电路、SIM 卡电路、RS-232 串口、指示灯电路。TC35 和其外围电路是通过 40 针 ZIF 连接器相连接的。图 2-7 为 TC35 结构框图。电源 SIM 数据 IN/OUT RS-232 音频GSM 基带处理器GSM 射频模块供电模块Flash天线ZIF 40 针连接器图 2-7 TC35 结构框图TC35 主要由 GSM 基带处理器、GSM 射频模块(Radio)、供电模块（ASIC） 、闪存(Flash)、 ZIF 连接器、天线（ Antenna Connector）六部分组成 2。GSM 基带处理器相当于TC35 甚至整个 TC35 模块的大脑，它由 C116CPU 和 DSP 处理器内核组成，控制着模块中各种信号的传输、转换、放大等处理过程；GSM 射频模块是一个由外差式接收器、上变频调制环路发生送器、射频锁相环路和集成中频合成器四个功能模块组成的单片收发器，能够实现对射频信号接收和发送等处理；GSM 模块电源（ ASIC）利用线性电压调节器将外部电源电压转换成支持 GSM 基带处理器和 GSM 射频部分工作的合适电压；Flash 用于存储一些信息 9。图 2-8 为 TC35 去除金属封装后的内部电路结构。图 2-8 TC35 内部电路结构TC35 模块的工作电压为 3.3 5.5V，其工作电流变化较大，待机状态时电流小于3.5mA,正常工作（接打电话、收发短信等）时电流最大能达到 1.8A。该模块可以工作在EGSM900 和 GSM1800 两个频段。EGSM900 频段的上行频率为 880890 MHz ,下行频率为925935 MHz。GSM1800 频段的上行频率为 17101785 MHz ,下行频率为 18051880 MHz。工作在 EGSM900 和 GSM1800 频段的功率消耗分别为 2W 和 1W。图 2-9 为本设计选用的 TC35 模块。该模块电源接口输入为 5V 直流电源，背面有 SIM卡槽，插上 SIM 卡并接通电源后左上角电源指示灯常亮，按下启动按钮，信号灯开始闪烁。信号指示灯 600ms 亮/600ms 灭，表明未连接到网络或者正在搜寻网络中，一段时间后，如果信号指示灯 75ms 亮/3s 灭，表示网络注册成功（控制通道和用户交换信息完成） ，这时就可以用 USBRS-232 串口线连接 TC35 模块和 PC 机进行 AT 指令调试。如果需要进行6TC35 和单片机的联机调试，除了 TC35 模块自带的 RS-232 串口端外，还需要另外设计一个单片机的 RS-232 串口端，二者之间用一根双公头串口线连接。图 2-9 TC35 模块2.3.2 AT 指令AT（Attention）指令应用于 GSM 模块与单片机应用之间的连接和通信。AT 指令是以AT 开始以 字符结束的字符串， AT 指令的响应数据包含在该字符串中。每个指令执行成功与否都会有对应的返回值。在 TC35 模块和 PC 机连接调试时就用到 AT 指令控制 TC35 模块接打电话、收发短信、存储和删除短信、设置波特率等操作。还可以通过单片机编写含有 AT 指令的程序来控制 TC35 模块进行同样的操作。基本常见的 AT 指令：AT 测试连接是否正确AT+CMGF 设置短信息收发模式（两种常用模式：Text 模式和 PDU 模式）AT+CSCA 设置短信服务中心号码（不同的地区短信服务中心号码不同）AT+CNMI 新短信息提示AT+IPR? 显示串口波特率AT+IPR=9600 更改串口波特率为 9600AT+CMGR 读取短信息（从指定的存储地址读取）AT+CMGS 发送短信息AT+CMGL 列举短信息2.3.3 短信收发模式TC35 模块短消息收发控制模式一共有三种，可以通过 AT 指令 AT+CMGF 进行修改和设置，这三种模式为：Block 模式、Text 模式、PDU 模式(Protocol Data Unit：协议数据单元) 。最初的 Block 模式已经被 PDU 模式取代，Block 模式已逐渐淡去。现如今常用的是Text 模式和 PDU 模式。Text 模式下收发短信内容直接为 ASCII 字符，包括英文、数字或者英文格式下的标点符号。PDU 模式不仅可以收发与 Text 模式相同的短信息内容，还可以收发中文和含有中文格式下的标点符号是的短信，但是该模式需采用 unicode 编码方式对收发的短信息进行编码。二者相比而言，PDU 模式收发的短信息内容更加全面和丰富但过程相对复杂，Text 模式收发短信息内容简单且过程无需编码。出于本设计操作简单考虑，本设计只使用 Text 模式以便于通过单片机和 GSM 模块之间的短信收发。2.3.4 TC35 连 PC 机调试TC35 模块可以通过 PC 机进行调试，测试 TC35 模块能不能正常使用。TC35 模块自带RS-232 接口， PC 机与 GSM 联络通讯时，只需要通过 USBRS-232 串口线连接 PC 机和7TC35 模块，该串口线能将 USB 的差分信号转换成 RS-232 信号便于通讯连接。连接成功后，只需要利用 PC 机上的串口调试助手软件就可以进行 TC35 调试。串口调试软件如图 2-10所示。图 2-10 串口调试助手TC35 模块和 PC 机连接调试时需要用到 AT 指令。具体运用指令调试时可以进行如下调试：控制 TC35 模块接收短信、列举短信息、存储和删除短信、设置波特率、设置短信服务中心号码、发送短信息等操作。TC35 连机调试主要步骤：1、启动串口调试软件打开串口调试助手主界面后需要进行一些必要设置：端口位置根据串口和 PC 机实际连接的 COM 口选择、波特率：9600、无校验位：None（无） 、数据位：8、停止位：1。如果 GSM 模块联网成功且 COM 口选择正确，点击“打开串口”按钮后指示灯会亮起，表明串口调试助手和 TC35 模块连接成功。2、发送“AT”在发送区编写大写 AT，加回车后点 “手动发送” ，此时该软件的接收区会显示“AT OK”表明连接正确。3、改变波特率“AT+IPR=XXXX ”TC35 的波特率可以通过 AT 指令修改，波特率过高时传输容易出错，过低时传输速度太慢，所以把 TC35 模块的波特率设置为 9600 最为合适。设置方法：AT+IPR=9600 回车4、设置短信模式“AT+CMGF=XX”TC35 模块有两种常用的短消息收发控制模式： Text 模式和 PDU 模式。本设计只使用Text 模式收发短信。设置 Text 模式方法：AT+CMGF=1 回车5、短信读取方法“AT+CMGR=XX”SIM 卡中可以存储一定量的短信息，其容量跟 SIM 卡有关。指令中“XX”指代 SIM卡中要读取短信的序号，该序号可以为 1最大存储容量间的任意数。在使用该指令前需设定短信收发模式。Text 模式下短信读取命令举例：AT+CMGR=1 回车（读取第一条短信）如果有短信息时 TC35 模块的响应如下：+CMGL: “REC UNREAD“,“+8615346205520“,“14/04/27,09:20:51+32“xuchangxueyuan10DIANQI6BAN8OK短信息分析：“xuchangxueyuan10DIANQI6BAN”就是短信息内容。“REC UNREAD“：表明短信未读取（“REC READ“：表明短信已读过） 。“+8615346205520“：该短信息是发的。“14/04/27,09:20:51+32“：短信息收到的时间。如果没有短信息时 TC35 模块的响应如下：AT+CMGR=7+CMGR: 0,06、列举短信息方式 “AT+CMGL=”该命令可以按 要求的方式列举 SIM 卡中存储的短信息。 例如以下指令操作：选择为 Text 短信收发模式后，在 AT 指令区中输入：AT+CMGL=“REC UNREAD“如果之前有未读的新短信息发送给 TC35 模块时，TC35 模块会给出如下响应：+CMGL: 6,“REC UNREAD“,“+8615346205520“,“14/04/27,10:25:11+32“ddfjkkgfhkOK的取值：表 2-2 的取值Text 模式下 取值 说 明 “REC UNREAD“ 接收未读 “REC READ“ 接收已读 “STO UNSENT“ 存储未发送 “STO SENT“ 存储已发送 “ALL“ 所有消息 7、设置短信服务中心号码短信服务中心号码是一种短信息服务器,可以理解为短信收发过程的中转站。当手机用户暂时无法联系上时，如果用户开通了短信服务，短信服务中心就会将那些无法收到的短信中存储下来，等到用户手机开机或重新连上服务器后，短信服务中心号码这个第三方就会将这些信息发到用户手机上，起到短信息中转站的作用。操作指令为：AT+CSCA=“+8613800374500“许昌市移动的短信服务中心号码是“+8613800374500” 。8、短信发送方法 “ AT+CMGS=“XXXXXX“”注意：在测试该指令前，必须先将控制模式改成 Text 模式，其次必须要设置好短信服务中心号码，短